夜色如墨，长安城巍峨的宫阙在连绵阴雨中更显森严。一桩离奇命案打破了上元节的余庆：钦天监监正袁守一被发现死于观星台上，周身无伤，唯有面目凝固着极致的惊骇，仿佛在仰望星空时窥见了不可名状的恐怖。更蹊跷的是，案发现场浑天仪被微妙地移动，指向夜空某处，而袁大人手中紧握着一枚刻有古怪星图的玉珏。朝野震动，传言四起，皆云袁大人因窥测天机过甚，遭了天谴。
消息传入大理寺，狄仁杰屏退左右，独自在卷宗室中沉思。烛火摇曳，映着他紧锁的眉头。他从不信鬼神乱力，此案看似玄虚，背后必有精巧的人为布局。那被移动的浑天仪绝非偶然，玉珏上的星图也定是线索，而非天谕。他想起民间有个汇聚能人异士的侦探吧，其中不乏精通天文、机关、奇门遁甲之人，或许能从这“天机”中解读出凡尘的痕迹。但此案牵涉宫禁与天道权威，他决定暂不借助外力，而是亲身去解开这“通天”之谜。
狄仁杰亲临观星台。雨后的青石地面积水未干，他俯身细察，发现浑天仪基座附近有极浅的拖曳痕，与天文官日常调整仪器的痕迹略有不同，似是有人刻意为之后，又试图掩饰。他仰观星象，又对照玉珏图案，发现那并非当下星图，而是指向一个特定的过往时辰。袁守一的惊恐表情，并非源于所见，更可能是源于所悟——他瞬间明白了某个真相，而正是这真相，为他招来了杀身之祸。
循着星图与时辰的线索，狄仁杰暗中查访，发现袁守一近期曾与工部一位掌管宫廷修缮的官员过往甚密。而案发前日，曾有数车“维修建材”深夜入宫。狄仁杰假借查验宫防，细查观星台周边，终于在一处偏僻殿阁的飞檐斗拱间，发现了机括残痕与一根几不可见的坚韧丝线。线索逐渐拼凑：有人利用对天文和建筑的了解，以丝线与机括设局，在特定时辰、特定星位下，制造了宛如“天罚”的骇人场景。那枚玉珏，正是凶手刻意留下的误导，将调查引向虚无缥缈的天意。
真相逐渐浮出水面。所谓“通天”，实为“通人”。凶手正是利用人们对天象的敬畏，精心编织了一个超自然的迷局。狄仁杰并未急于收网，他要在最恰当的时机，将这场以天为幕、以星为饵的戏码，彻底揭穿。